一种激光雷达扫描系统和激光雷达的制作方法

本实用新型实施例涉及激光光束扫描技术领域，尤其涉及一种激光雷达扫描系统和激光雷达。

背景技术：

激光雷达通过发射激光光束来探测目标方位、速度等信息，具有测距精度高，方向性强，响应快，不受地面杂波影响等优势，已广泛应用到社会各个领域。并且激光雷达可以形成精度高达厘米级别的立体环境地图数据，因此在高级驾驶辅助系统(ADAS)及无人驾驶系统中具有重要应用。

MEMS即微机电控制系统，MEMS技术为激光雷达提供了扫描模组，将传统的导航激光雷达中的旋转装置芯片化，具有高分辨率、高可靠性、低成本、小尺寸、易集成等优势，被雷达领域的公司及人员看好。

但是，由于MEMS扫描转镜的角度无法在X和Y两个正交方向同时做到很大，基于MEMS技术的激光雷达的扫描范围受到限制。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种激光雷达扫描系统和激光雷达，用以解决现有的MEMS激光雷达扫描范围受限的问题。

一方面，本实用新型实施例提供一种激光雷达扫描系统，包括激光器、分束器、光束导向单元和MEMS扫描转镜；其中，激光器用于发出第一激光信号；分束器用于对第一激光信号进行分束，发出多束第二激光信号；光束导向单元用于将全部第二激光信号会聚在MEMS扫描转镜上；MEMS扫描转镜用于反射全部第二激光信号进行扫描。

优选地，还包括整形准直单元；整形准直单元设置于第一激光信号的光路上，用于对第一激光信号进行整形和准直。

优选地，分束器为衍射光栅，用于将第一激光信号按照波长进行分束，发出多束不同波长的第二激光信号。

优选地，光束导向单元包括第一导向镜和第二导向镜；其中，第一导向镜用于将全部第二激光信号转换为一组平行光束；第二导向镜用于将平行光束会聚在MEMS扫描转镜上。

优选地，整形准直单元包括第一准直透镜、第二准直透镜、第一整形柱面镜和第二整形柱面镜；第一激光信号通过第一准直透镜准直后，依次通过第一整形柱面镜和第二整形柱面镜进行整形，最后通过第二准直透镜准直后照射在分束器上；第一整形柱面镜与第二整形柱面镜的整形方向相互垂直。

优选地，MEMS扫描转镜为二维MEMS扫描转镜。

优选地，分束器设置于第一导向镜的前焦平面上，MEMS扫描转镜设置于第二导向镜的后焦平面上。

优选地，第一导向镜和第二导向镜为柱面镜。

优选地，激光器为ASE光源、SLED光源或锁模激光器。

另一方面，本实用新型实施例提供一种激光雷达，包括上述激光雷达扫描系统。

本实用新型实施例提供的一种激光雷达扫描系统和激光雷达，通过分束器产生多束激光信号，且通过光束导向单元以不同角度照射在MEMS扫描转镜上，在不增加激光器的前提下实现了多线扫描，在单一方向上大幅降低了MEMS扫描转镜的设计角度，降低了MEMS扫描转镜的生产工艺难度与生产成本。且相对传统式多线激光雷达，用激光器加分束器的组合代替了多个激光器的组合，降低了激光雷达的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的激光雷达扫描系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的整形准直单元的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的光束导向单元的结构示意图；

图4为本实用新型又一实施例提供的激光雷达扫描系统的结构示意图；

附图标记说明：

101-激光器； 102-分束器； 103-光束导向单元；

104-MEMS扫描转镜； 105-第一激光信号； 106-第二激光信号；

201-整形准直单元； 202-第一准直透镜； 203-第二准直透镜；

204-第一整形柱面镜； 205-第二整形柱面镜； 301-第一导向镜；

302-第二导向镜。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

针对MEMS扫描转镜的角度无法在X和Y两个正交方向同时做到很大，导致基于MEMS技术的激光雷达的扫描范围受到限制的问题，图1为本实用新型实施例提供的激光雷达扫描系统的结构示意图，如图1所示，一种激光雷达扫描系统，包括激光器101、分束器102、光束导向单元103和MEMS扫描转镜104；其中，激光器101用于发出第一激光信号105；分束器102用于对第一激光信号105进行分束，发出多束第二激光信号106；光束导向单元103用于将全部第二激光信号106会聚在MEMS扫描转镜104上；MEMS扫描转镜104用于反射全部第二激光信号106进行扫描。

具体地，激光器101发出的第一激光信号105为一束激光，第一激光信号105通过分束器102进行分束，产生多束第二激光信号106，此处，第二激光信号106有多束，呈不同的发射角度从分束器102中发出，并射入光束导向单元103。光束导向单元103将上述入射的多束不同角度的第二激光信号106进行会聚，使得多束第二激光信号106能够从不同角度照射在MEMS扫描转镜104的同一位置上。MEMS扫描转镜104能够根据将不同角度照射在MEMS扫描转镜104上的第二激光信号106进行反射，使得多束第二激光信号106能够以不同的角度进行扫描。由于通过分束器102产生了多束第二激光信号106，且第二激光信号106通过光束导向单元103后以不同角度照射在MEMS扫描转镜104上，在不增加激光器101的前提下实现了多线扫描，有效弥补了MEMS扫描转镜104的角度无法在X和Y两个正交方向同时做到很大的问题，扩大了基于MEMS技术的激光雷达的扫描范围。

此处，分束器102可以是任意能够对第一激光信号105进行分束的装置，例如不同周期的反射式光栅分束器或者多棱镜反射器等，光束导向单元103可以是任意能够实现多束第二激光信号106会聚的装置，例如单一透镜，或者多个透镜构成的透镜组，本实用新型实施例对此不作具体限定。

本实用新型实施例提供的激光雷达扫描系统，通过分束器102产生多束激光信号，且通过光束导向单元103以不同角度照射在MEMS扫描转镜104上，在不增加激光器的前提下实现了多线扫描，在单一方向上大幅降低了MEMS扫描转镜104的设计角度，降低了MEMS扫描转镜104的生产工艺难度与生产成本。且相对传统式多线激光雷达，用激光器101加分束器102的组合代替了多个激光器的组合，降低了激光雷达的成本。

基于上述实施例，还包括整形准直单元；整形准直单元设置于第一激光信号105的光路上，用于对第一激光信号105进行整形和准直。

具体地，整形准直单元设置在第一激光信号105由激光器101射入分束器102的光路上。激光器101发出第一激光信号105，第一激光信号105射入整形准直单元，整形准直单元对第一激光信号105进行整形和准直，整形和准直后的第一激光信号105从整形准直单元射出，射入分束器102中进行分束。此处，整形准直单元可以由用于光束整形的装置和用于光束准直的装置组合构成，也可以是同时具备光束整形和光束准直功能的装置，具备光束整形功能的装置可以是非球面透镜组、微透镜阵列、衍射光学元件、双折射透镜组或者圆锥镜等，具备光束准直功能的装置可以是激光经纬仪或者波带板激光准直系统等，本实用新型实施例对此不作具体限定。

基于上述任一实施例，图2为本实用新型实施例提供的整形准直单元的结构示意图，如图2所示，进一步地，整形准直单元201包括第一准直透镜202、第二准直透镜203、第一整形柱面镜204和第二整形柱面镜205；第一激光信号105通过第一准直透镜202准直后，依次通过第一整形柱面镜204和第二整形柱面镜205进行整形，最后通过第二准直透镜203准直后照射在分束器102上；第一整形柱面镜204与第二整形柱面镜205的整形方向相互垂直。

具体地，第一准直透镜202与第二准直透镜203用于对第一激光信号105进行准直扩束，第一整形柱面镜204与第二整形柱面镜205用于把第一激光信号105的椭圆光斑整形为圆形光斑。此处，第一整形柱面镜204与第二整形柱面镜205的整形方向相互垂直，分别从两个方向对第一激光信号105的椭圆光斑进行修正。

基于上述任一实施例，分束器102为衍射光栅，用于将第一激光信号105按照波长进行分束，发出多束不同波长的第二激光信号106。

具体地，衍射光栅是光栅的一种，通过有规律的结构，使入射光的振幅或相位(或两者同时)受到周期性空间调制。衍射光栅在光学上的最重要应用是作为分光器件，常被用于单色仪和光谱仪上。本实用新型实施例中，将第一激光信号105射入至分束器102即衍射光栅，衍射光栅针对第一激光信号105中不同波长的激光信号，其衍射角不同，且波长越大，衍射角越大。衍射光栅对第一激光信号105进行分束，并将不同的波长光按照对应的衍射角进行分布。此处，经过衍射光栅分束的对应不同衍射角的不同的波长光，即第二激光信号106。每一第二激光信号106对应第一激光信号105经过分束产生的一个波长的激光信号。

基于上述任一实施例，图3为本实用新型实施例提供的光束导向单元103的结构示意图，如图3所示，光束导向单元103包括第一导向镜301和第二导向镜302；其中，第一导向镜301用于将全部第二激光信号106转换为一组平行光束；第二导向镜302用于将平行光束会聚在MEMS扫描转镜104上。

具体地，第一导向镜301用于会聚照射在第一导向镜301上的全部第二激光信号106，通过改变第二激光信号106的传播角度，使得多束第二激光信号106沿相互平行的方向传播，且垂直射入第二导向镜302。此处，经过第一导向镜301后沿相互平行的方向传播的多束第二激光信号106即一组平行光束。第二导向镜302用于会聚照射在第二导向镜302上的一组平行光束，通过改变平行光束中各光束的传播角度，使得一组平行光束会聚并投射在MEMS扫描转镜104的同一位置，形成一个光斑。此处，第一导向镜301和第二导向镜302可以是具备会聚功能的凸透镜或者柱面镜，本实用新型实施例对此不作具体限定。

作为优选，第一导向镜301和第二导向镜302均为柱面镜。柱面镜是非球面透镜，可以有效减小球差和色差，具有一维放大功能。本实用新型实施例中利用柱面镜实现光束导向，仅在一个维度上对由多束第二激光信号106形成的光斑进行压缩，相比传统的凸透镜，能够有效降低光斑的功率密度，同时降低激光雷达扫描系统的高功率失效风险。

基于上述任一实施例，分束器102设置于第一导向镜301的前焦平面上，MEMS扫描转镜104设置于第二导向镜302的后焦平面上。

其中，第一导向镜301的前焦平面是指过第一导向镜301前焦点且垂直于第一导向镜301主光轴的平面，第二导向镜302的后焦平面是指过第二导向镜302的后焦点且垂直于第二导向镜302的主光轴的平面。将分束器102设置于第一导向镜301的前焦平面上，MEMS扫描转镜104设置于第二导向镜302的后焦平面上，有助于提供光束导向单元103进行第二激光信号106会聚的精确度。

基于上述任一实施例，MEMS扫描转镜104为二维MEMS扫描转镜。二维MEMS扫描转镜是一种偏转扫描的微反射镜，与一维MEMS扫描转镜104相比，二维MEMS扫描转镜的反射面具有两个自由度，能够根据光的反射工作原理，通过反射面的位置不断发生变化，改变入射光的方向，对某一区域进行二维扫描。

基于上述任一实施例，激光器101为ASE光源、SLED光源或锁模激光器。

基于上述任一实施例，本实用新型实施例提供了一种激光雷达，激光雷达的扫描系统为上述任一实施例的激光雷达扫描系统。

为了更好地理解与应用本实用新型提出的一种激光雷达扫描系统和激光雷达，本实用新型进行以下示例，且本实用新型不仅局限于以下示例。

一种激光雷达，包括激光雷达扫描系统。图4为本实用新型又一实施例提供的激光雷达扫描系统的结构示意图，如图4所示，激光雷达扫描系统包括激光器101、整形准直单元201、分束器102、光束导向单元103和MEMS扫描转镜104。

其中，激光器101用于产生高功率脉冲激光信号，主要为宽带光源，例如ASE光源、SLED光源或者锁模激光器。此处，激光器101用于发出第一激光信号105，并射入整形准直单元201。此处，第一激光信号105为多波长激光信号。

整形准直单元201包括第一准直透镜202、第二准直透镜203、第一整形柱面镜204和第二整形柱面镜205。第一激光信号105通过第一准直透镜202准直后，依次通过第一整形柱面镜204和第二整形柱面镜205进行整形，最后通过第二准直透镜203准直后照射在分束器102上。此处，第一整形柱面镜204与第二整形柱面镜205分别针对第一激光信号105的椭圆光斑在X轴方向和Y轴方向进行修正。

分束器102为衍射光栅，用于对经过整形准直单元201的第一激光信号105进行分光，第一激光信号105发生衍射并呈一定角度进行分开。此处，第一激光信号105并衍射光栅分为3个波长(λ1、λ2和λ3)，即形成3束第二激光信号106。

光束导向单元103包括第一导向镜301和第二导向镜302，此处，第一导向镜301和第二导向镜302均为柱透镜，第一导向镜301用于将3束第二激光信号106转换为一组平行光束，第二导向镜302用于将该组平行光束会聚在MEMS扫描转镜104上。

MEMS扫描转镜104为二维MEMS扫描转镜104，绕Y轴旋转的时候，3个波长的第二激光信号106同时在XZ平面内进行转动，实现大角度扫描。

本示例提供的激光雷达扫描系统和激光雷达，其中MEMS扫描转镜104是一个二维反射镜，可以独立地绕两个正交轴转动。通过n个波长扫描(本示例中n为3，但不限于此)，MEMS扫描转镜104绕Y轴旋转，相同的转镜角度，可以n倍地增加转镜扫描范围。MEMS扫描转镜104绕X轴旋转，可以实现多线式激光雷达扫描。通过多波长设计在一个方向上大幅度降低了MEMS扫描转镜104的设计角度，降低了MEMS扫描转镜104的生产工艺难度与生产成本。相对传统式多线激光雷达，用激光器101(此处为宽带光源)和分束器102的组合代替了多个激光器的组合，降低了激光雷达的成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型的实施例各实施例技术方案的范围。